Hydrological modelling for Portugal

Pedro Chambel Filipe Lopes Leitão

Key information

Authors:

Pedro Chambel Filipe Lopes Leitão (Pedro Chambel-Leitão)

Supervisors:

Ramiro Joaquim De Jesus Neves (Ramiro Joaquim De Jesus Neves)

Published in

10/07/2016

Abstract

One of the difficulties in the management of water resources within the river basin is knowing the flow in each reach of a stream network. This problem is particularly aggravated by a lack of monitoring, now starting to be felt in Portugal after intensive monitoring in the 80s, 90s and 2000s. With the use of models you can use past data to implement and validate models, and get results for the present. Increasingly available results from the reanalysis of meteorological models allow hydrological models to be more easily forced. As a general objective, this thesis aims at answering the following question: is it possible to apply a unified modelling strategy to estimate flows throughout the entire continental portion of the country? To prove this, a reach flow forecasting model was implemented in continental Portugal using precipitation data between 1950 and 2003 compiled by IPMA. The ability of the model to simulate the hydrology of watersheds and the limitations arising from the various options of implementation was evaluated. Results show that the model can satisfactorily reproduce flows, for example in Douro, while other watersheds, like Mondego, would need more detailed precipitation data to reproduce flows. The calibrated model was run with precipitation data from the MM5-R and the CSFR meteorological models with respectively 30 and 36 years of reanalysis as input. In general, model performance is reduced when using reanalysis. The decrease in performance is more significant in MM5-R than in CFSR. However some gage stations are an exception in this trend, because they improve their flows when compared with IPMA-GRID. Finally a national database of runoff and evapotranspiration was generated with the hydrological model. The quality of the results was analysed by the spatial and temporal consistency between the results of the hydrological model and the results of the meteorological model and by comparison with the data of river flows. Uma das dificuldades na gestão dos recursos hídricos ao nível da bacia hidrográfica é conhecer o caudal em cada trecho da rede de drenagem. Este problema tem sido particularmente sentido pela falta de monitorização que agora se começa a fazer sentir em Portugal, depois da monitorização intensiva nos anos 80, 90 e 2000. Com os modelos é possível usar dados do passado para implementar e validar modelos, e obter resultados para o presente. Hoje em dia estão cada vez mais disponíveis resultados de reanálises de modelos meteorológicos, o que permite gerar o forçamento para modelos hidrológicos com mais facilidade. Como objetivo geral, esta tese visa responder a seguinte pergunta: é possível aplicar uma estratégia de modelação unificada para estimar os fluxos ao longo de toda a parte continental do país? Para provar isso, foi implementado um modelo de previsão de caudais usando dados de precipitação do período de 1950 a 2003 compilados pelo IPMA. A capacidade do modelo para simular a hidrologia das bacias hidrográficas e as limitações decorrentes das várias opções de implementação, foi avaliada. Os resultados mostram que o modelo pode reproduzir fluxos satisfatoriamente, por exemplo no Douro, enquanto outras bacias, como Mondego, precisaria de mais dados detalhados de precipitação para reproduzir fluxos. O modelo calibrado foi corrido com dados de precipitação do MM5-R e os modelos meteorológicos CSFR com respectivamente 30 e 36 anos de reanálise como entrada. Em geral, o desempenho do modelo é reduzido ao utilizar reanálise. A diminuição no desempenho é mais significativa no MM5-R do que no CFSR. No entanto, algumas estações hidrométricas são uma exceção nessa tendência, porque melhoram os seus caudais, quando comparado com IPMA-GRID. Foi ainda desenvolvida uma base de dados nacional de escoamento e evapotranspiração gerada com o modelo hidrológico. A qualidade dos resultados foi analisada através da consistência espacial e temporal entre os resultados do modelo hidrológico e os resultados do modelo meteorológico e através de comparação com os dados existentes de caudais fluviais.